Сплав системы Al-Mg-Zn для высокоскоростной сверхпластической формовки Российский патент 2024 года по МПК C22C21/06 

Изобретение относится к области алюминиевых сплавов системы Al - Mg с небольшой добавкой цинка (менее 1,3%), которые могут быть использованы для изготовления полуфабрикатов и изделий сложной формы в различных отраслях промышленности методом сверхпластической формовки.

Известен сплав АА5083 и его аналоги Alnovi-1 и Alnovi-U системы Al - Mg и высокопрочный сплав 7475 (его российский аналог - В95). Сплав АА5083 (J.S. Vetrano, С.A. Lavender, С.Н. Hamilton*, М.Т. Smith and S.M. Bruemmer. Superplastic behavior in a commercial 5083 aluminum alloy. Scripta METALLURGICA Vol.30, pp.565-570, 1994) и Alnovi-1 (US 5540791 А, опублик. 30.07.1996 г.). Сплав Al - 4,5% Mg -0,7% Mn (SW-5083) имеет оптимальную скорость сверхпластической деформации 10^-3 с^-1 (относительное удлинение 300-350%) при температурах 520-540°С. Сплав Alnovi-1 (Al - 4,5% Mg - 0,7% Mn - 0,12% Cr), производимый японской компанией UACJ Corporation, имеет оптимальную скорость сверхпластической деформации 2×10^-3 с^-1, относительное удлинение 350% при температурах 520-540°С, при скорости 10^-2 с^-1 сплав имеет 200% удлинения.

Недостатками описанных выше сплавов является то, что их оптимальное значение скорости деформации находится около 10^-3 с^-1 при удлинении 300 - 350%. При скорости 10^-2 значения удлинения не превышает 200%, этого недостаточно, чтобы использовать лист для пневмоформовки. При скоростях 10^-3 с^-1 формовка одной средней по сложности детали займет от 15 до 45 мин. Повышение скорости деформации на порядок сократит время формовки до 5 минут. Для значимого повышения производительности сверхпластической листовой формовки требуются сплавы, имеющие скорость сверхпластической деформации свыше 10^-2 с^-1 при, соответственно, высоких значениях удлинения до разрушения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по области применения и уровню механических и коррозионных свойств является сплав Alnovi-U (US 5181969 А, опублик. 26.01.1993 г.), имеющий состав Al - 4,75% Mg - 1,42% Mn - 0,05% Fe - 0,03% Si. Состав сплава позволяет получать гетерогенную структуру с объемной долей частиц эвтектического происхождения 1,5-2%. Средний размер зерна в листах сплава равен 7-8 мкм. Сплав обладает высокой коррозионной стойкостью, предел текучести в отожженном состоянии равен 170 МПа, а относительное удлинение листов данного сплава при скорости сверхпластической деформации 10^-3 с^-1 составляет 350%, а при скорости 10^-2 с^-1 - 250%. Вышеописанный сплав относится к сплавам системы Al-Mg и предназначен для высокоскоростной сверхпластической формовки (10^-2 с^-1).

Недостатком данного сплава являются низкие относительные удлинения (250%) при высокоскоростной формовке. Такие удлинения позволяют получать детали не сложной конфигурации. Для получения деталей со сложным рельефом и глубокой вытяжкой необходимы относительные удлинения свыше 400%.

Задачей данного изобретения является повышение уровня показателей сверхпластичности за счет формирования однородной стабильной зеренной структуры и однородной деформации в процессе сверхпластической формовки, которые обеспечивают присутствие частиц различной дисперсности от 10 нм до 1 мкм при сохранении уровня механических свойств конечного изделия, имеющегося у аналогов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение уровня прочностных свойств сплава (предел текучести не менее 240 МПа) при сохранении высоких характеристик пластичности (12-14%) и обеспечении в получаемых полуфабрикатах гетерогенной структуры с объемной долей частиц эвтектического происхождения 4-6% и нерекристаллизованной структуры или частично рекристаллизованной структуры с размером зерна 5±0,5 мкм. В процессе сверхпластической формовки в результате динамической рекристаллизации и гетерогенной структуры формируется равномерная микрозеренная структура со средним размером зерна 3-4 мкм.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Сплав с гетерогенной структурой системы Al-Mg для высокоскоростной сверхпластической формовки содержит магний, цинк, никель, железо, цирконий, скандий и примесные элементы в следующем соотношении, масс. %:

4,5-5,5 масс. % Mg;

0,4-1,3 масс. % Zn;

0,6-1,2 масс. % Ni;

0,6-1,2 масс. % Fe;

0,1-0,3 масс. % Zr;

0,03-0,3 масс. % Sc;

остальное алюминий и примесные элементы:

до 0,16 масс. % Si;

до 0,1 масс. % Ti;

до 0,1 масс. % Cu

где, в общей сложности эти и другие примесные элементы не превышают 0,2 масс. %, причем после деформации сплав имеет гетерогенную структуру с крупными частицами эвтектического происхождения с объемной долей 4-6% и когерентными дисперсоидами Al₃(Sc,Zr) размером в диапазоне от 10 до 20 нм со структурой фазы типа L1₂, выделившимися при гомогенизационном отжиге.

Сплав легирован магнием для обеспечения твердорастворного упрочнения, формирования мелкозернистой структуры, равномерного распределения дисперсоидов и хорошего сопротивления коррозионному растрескиванию. Цинк облегчает межзеренное скольжение при сверхпластической деформации, как следствие, снижает величину напряжение течения при сверхпластической формовки.

Железо и никель при литье образуют эвтектические фазы с размером 0.5-2 мкм для формирования частиц, стимулирующих зарождение новых зерен. При деформационной обработке вокруг частиц накапливаются дефекты и искажения в решетке, что, при нагреве, приводит к формированию большого числа центров зарождения новых зерен при рекристаллизации. Чем выше плотность таких частиц в сплаве, тем больше мест зарождения новых зерен, соответственно, меньше средний размер зерна.

Цирконий и скандий необходимы для образования дисперсоидов алюминидов данных элементов. Они эффективно сдерживают статическую рекристаллизацию, повышая ее температуру, а в рекристаллизованном состоянии эффективно сдерживают миграцию границ рекристаллизованных зерен. Согласно теории Зинера, чем меньше размер дисперсоидов и больше их плотность выделения, тем значительнее эффект.

Легирование сплава данными элементами приводит к формированию гетерогенной структуры с крупными частицами эвтектического происхождения с объемной долей 4-6% и когерентными дисперсоидами Al₃(Sc,Zr) размером в диапазоне от 10 до 20 нм со структурой фазы типа Ll₂, выделившимися при гомогенизационном отжиге. Данные частицы позволяют сформировать микрозеренную стабильную при нагреве структуру. Структура листов после отжига при температурах 460-540°С, имитирующего нагрев и выдержку при температуре сверхпластической деформации, сохраняет нерекристаллизованную структуру или частично рекристаллизованную с размером зерна в интервале 3-4 мкм.

Способ получения листов из указанного сплава состоит из получения литых заготовок со скоростью охлаждения 3 К/с, гомогенизационного отжига (первая ступень 360-400°С в течение 24 часов, вторая ступень - 400-470°С в течение 5 часов), горячей прокатки (степень деформации 70-90%) и холодной прокатки (степень деформации 50 -70%).

Особенностью данного режима получения листов является двухстадийный гомогенизационный отжиг. Первая низкотемпературная ступень гомогенизационного отжига позволяет выделить из алюминиевого твердого раствора когерентные дисперсоиды Al₃(Sc,Zr) со структурой фазы Ll₂. Наличие этих дисперсоидов приводит к формированию более мелкого равноосного зерна перед сверхпластической формовкой и, как следствие, к понижению напряжения течения и увеличению максимального удлинения. Вторая высокотемпературная ступень приводит к фрагментации и сферодизации частиц эвтектического происхождения, что повышает технологическую пластичность сплава и снижает возможность преждевременного разрушения материала при сверхпластической формовке.

Полученные по разработанной технологии листы из предложенного сплава с химическим составом Al - (4,5-5,5) % Mg - (0,4-1,3) % Zn - (0,6-1,2) % Ni - (0,6-1,2) % Fe - (0,1-0,3) % Zr - (0,03-0,3) % Sc проявляют высокоскоростную сверхпластичность в интервале температур 460-540°С: при скоростях деформации 10^-2 и 10^-1' с^-1 относительное удлинение до разрушения составляет не менее 350% и 200% соответственно. Листы из предложенного сплава в широком диапазоне скоростей деформации (10^-3-10^-1) с^-1 имеют относительные удлинения 200-800% в зависимости от условий деформации. Механические свойства листов из разработанного сплава в отожженном состоянии при комнатной температуре: предел текучести 240-280 МПа, предел прочности 380-420 МПа и относительное удлинение (11-15) %.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1. представлена микроструктура холоднокатанного листа сплава Al-4,9Mg-0,7Zn-0,9Ni-0,9Fe-0,2Zr-0,1Sc-0,003Si-0,05Ti-0,05Cu, на фиг. 2 - микроструктура этого же сплава после рекристаллизационного отжига при 460°С, имитирующего нагрев перед сверхпластической формовкой.

Пример 1

Химический состав сплава приведен в таблице 1 (Образец 1). Листы получали горячей прокаткой со степенью обжатия 70%, холодная прокатка со степенью обжатия 70%. Конечная толщина листа составила 1,2 мм.

После отжига холоднокатаного листа вплоть до 540°С, имитирующего нагрев и выдержку при температуре сверхпластической деформации сохраняется нерекристаллизованная структура.

Показатели сверхпластичности:

- при температуре 460°С удлинение 700% и напряжение течения 19 МПа при скорости деформации 1×10^-2 с^-1 и удлинение 500% и напряжение течения 37 МПа при скорости деформации 6×10^-2 с^-1;

- при температуре 500°С удлинение 650% и напряжение течения 7 МПа при скорости деформации 1×10^-2 с^-1 и удлинение 500% и напряжение течения 28 МПа при скорости деформации 6×10^-2 с^-1.

Механические свойства образцов были определены при комнатной температуре после рекристаллизационного отжига при 460°С, 30 мин: предел текучести 265 МПа, предел прочности на разрыв 385 МПа, а относительное удлинение 14%.

Пример 2

Химический состав сплава приведен в таблице 1 (Образец 2). Листы получали горячей прокаткой со степенью обжатия 80%, холодная прокатка со степенью обжатия 70%. Конечная толщина листа составила 1,2 мм.

После отжига холоднокатаного листа вплоть до 540°С, имитирующего нагрев и выдержку при температуре сверхпластической деформации сохраняется нерекристаллизованная структура.

Показатели сверхпластичности:

- при температуре 460°С удлинение 500% и напряжение течения 13 МПа при скорости деформации 1×10^-2 с^-1 и удлинение 390% и напряжение течения 34 МПа при скорости деформации 1×10^-1 с^-1;

- при температуре 500°С удлинение 560% и напряжение течения 10 МПа при скорости деформации 1×10^-2 с^-1 и удлинение 270% и напряжение течения 27 МПа при скорости деформации 1×10^-1 с^-1.

Механические свойства образцов были определены при комнатной температуре после рекристаллизационного отжига при 460°С, 30 мин: предел текучести 260 МПа, предел прочности на разрыв 385 МПа, а относительное удлинение 13%.

Пример 3

Химический состав сплава приведен в таблице 1 (Образец 3). Листы получали горячей прокаткой со степенью обжатия 90%, холодная прокатка со степенью обжатия 50%. Конечная толщина листа составила 1,1 мм.

После отжига холоднокатаного листа вплоть до 540°С, имитирующего нагрев и выдержку при температуре сверхпластической деформации сохраняется нерекристаллизованная структура.

Показатели сверхпластичности:

- при температуре 460°С удлинение 350% и напряжение течения 17 МПа при скорости деформации 1×10^-2 с^-1 и удлинение 450% и напряжение течения 30 МПа при скорости деформации 6×10^-2 с^-1;

- при температуре 500°С удлинение 650% и напряжение течения 12 МПа при скорости деформации 1×10^-2 с"' и удлинение 450% и напряжение течения 32 МПа при скорости деформации 1×10^-1 с^-1;

- при температуре 540°С удлинение 700% и напряжение течения 8 МПа при скорости деформации 1×10^-2 с^-1 и удлинение 500% и напряжение течения 17 МПа при скорости деформации 6×10^-2 с^-1.

Механические свойства образцов были определены при комнатной температуре после рекристаллизационного отжига при 460°С, 30 мин: предел текучести 280 МПа, предел прочности на разрыв 400 МПа, а относительное удлинение 13%.

Пример 4

Химический состав сплава приведен в таблице 1 (Образец 4). Листы получали горячей прокаткой со степенью обжатия 90%, холодная прокатка со степенью обжатия 60%. Конечная толщина листа составила 1,1 мм.

После отжига холоднокатаного листа вплоть до 540°С, имитирующего нагрев и выдержку при температуре сверхпластической деформации сохраняется нерекристаллизованная структура.

Показатели сверхпластичности:

- при температуре 460°С удлинение 550% и напряжение течения 14 МПа при скорости деформации 1×10^-'² с^-1 и удлинение 540% и напряжение течения 37 МПа при скорости деформации 1×10^-1 с^-1;

- при температуре 500°С удлинение 690% и напряжение течения 10 МПа при скорости деформации 1×10^-2 с^-1 и удлинение 520% и напряжение течения 28 МПа при скорости деформации 1×10^-1 с^-1;

- при температуре 540°С удлинение 570% и напряжение течения 7 МПа при скорости деформации 1×10^-2 с^-1 и удлинение 800% и напряжение течения 15 МПа при скорости деформации 6×10^-2 с^-1.

Механические свойства образцов были определены при комнатной температуре после рекристаллизационного отжига при 460°С, 30 мин: предел текучести 270 МПа, предел прочности на разрыв 420 МПа, а относительное удлинение 11%.

Пример 5

Химический состав сплава приведен в таблице 1 (Образец 5). Листы получали горячей прокаткой со степенью обжатия 90%, холодная прокатка со степенью обжатия 50%. Конечная толщина листа составила 1,1 мм.

После отжига холоднокатаного листа вплоть до 540°С, имитирующего нагрев и выдержку при температуре сверхпластической деформации сохраняется частично нерекристаллизованная структура со средним размером зерна в рекристаллизованном объеме 5±0.5 мкм.

Показатели сверхпластичности:

- при температуре 460°С удлинение 400% и напряжение течения 18 МПа при скорости деформации 1×10^-2 с^-1 и удлинение 350% и напряжение течения 34 МПа при скорости деформации 6×10^-2 с^-1;

- при температуре 500°С удлинение 600% и напряжение течения 13 МПа при скорости деформации 1×10^-2 с^-1 и удлинение 250% и напряжение течения 31 МПа при скорости деформации 1×10^-1 с^-1;

- при температуре 540°С удлинение 460% и напряжение течения 11 МПа при скорости деформации 1×10^-2 с^-1 и удлинение 240% и напряжение течения 17 МПа при скорости деформации 6×10^-2 с^-1.

Механические свойства образцов были определены при комнатной температуре после рекристаллизационного отжига при 460°С, 30 мин: предел текучести 240 МПа, предел прочности на разрыв 380 МПа, а относительное удлинение 15%.

Пример 6

Химический состав сплава приведен в таблице 1 (Образец 6). Листы получали горячей прокаткой со степенью обжатия 90%, холодная прокатка со степенью обжатия 50%. Конечная толщина листа составила 1,1 мм.

После отжига холоднокатаного листа вплоть до 540°С, имитирующего нагрев и выдержку при температуре сверхпластической деформации сохраняется нерекристаллизованная структура.

Показатели сверхпластичности:

- при температуре 460°С удлинение 450% и напряжение течения 18 МПа при скорости деформации 1×10^-2 с^-1 и удлинение 350% и напряжение течения 34 МПа при скорости деформации 6×10^-'² с^-1;

- при температуре 500°С удлинение 350% и напряжение течения 13 МПа при скорости деформации 1×10^-2 с"'и удлинение 200% и напряжение течения 31 МПа при скорости деформации 1×10^-1 с^-1;

- при температуре 540°С удлинение 450% и напряжение течения 11 МПа при скорости деформации 1×10^-2 с^-1 и удлинение 200% и напряжение течения 17 МПа при скорости деформации 6×10^-2 с^-1.

Механические свойства образцов были определены при комнатной температуре после рекристаллизационного отжига при 460°С, 30 мин: предел текучести 250 МПа, предел прочности на разрыв 395 МПа, а относительное удлинение 13%.

Изобретение относится к металлургии, а именно к алюминиевым сплавам системы Al-Mg, которые могут быть использованы для изготовления полуфабрикатов и изделий сложной формы в различных отраслях промышленности методом сверхпластической формовки. Сплав с гетерогенной структурой системы Al-Mg для высокоскоростной сверхпластической формовки содержит, мас.%: Mg 4,5-5,5, Zn 0,4-1,3, Ni 0,6-1,2, Fe 0,6-1,2, Zr 0,1-0,3, Sc 0,03-0,3, Al и примесные элементы в количестве не более 0,2 – остальное. После деформации сплав имеет гетерогенную структуру с частицами эвтектического происхождения с объемной долей 4-6% и размерами 0,5-2 мкм и когерентными дисперсоидами Al₃(Sc,Zr) размером в диапазоне от 10 до 20 нм со структурой фазы Ll₂ типа, выделившимися в процессе гомогенизационного отжига. Сплав характеризуется высокими прочностными свойствами сплава при сохранении высоких характеристик пластичности. 2 ил., 1 табл., 6 пр.

Сплав с гетерогенной структурой системы Al-Mg для высокоскоростной сверхпластической формовки, содержащий магний, железо, цирконий, алюминий и примесные элементы, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цинк, никель и скандий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Mg 4,5-5,5;

Zn 0,4-1,3;

Ni 0,6-1,2;

Fe 0,6-1,2;

Zr 0,1-0,3;

Sc 0,03-0,3;

алюминий и примесные элементы в количестве не более 0,2 – остальное,

причем он содержит следующие примесные элементы, мас.%:

Si до 0,16;

Ti до 0,1;

Cu до 0,1,

при этом после деформации сплав имеет гетерогенную структуру с частицами эвтектического происхождения с объемной долей 4-6% и размерами 0,5-2 мкм и когерентными дисперсоидами Al₃(Sc,Zr) размером в диапазоне от 10 до 20 нм со структурой фазы Ll₂ типа, выделившимися в процессе гомогенизационного отжига.